Cell(IF=64.5)| 粘液唾液酸化决定肠道宿主共生稳态

屏障是一种先天免疫机制,能够加强宿主-微生物的稳态,而屏障衰竭可引起炎症性肠病(IBD),从而增加慢性疾病和结肠癌的风险。上皮聚糖有助于肠粘膜稳态和上皮屏障的完整性,是肠道菌群的配体和营养来源。异常的糖基化会破坏宿主-微生物相互作用、粘蛋白屏障和粘膜免疫。胃肠道边界屏障是肠黏液,主要的黏液糖蛋白是Mucin-2(MUC2),包含O和N链聚糖。先前的研究表明糖基化MUC2有助于屏障的完整性,但防止IBD的关键糖构型尚不清楚。

2022年3月31日,美国国立卫生研究院的Chuan Wu和Michael J. Lenardo等人在Cell上发表了题为“Mucus sialylation determines intestinal host-commensal homeostasis”的研究文章。该研究发现ST6GALNAC1(ST6)对肠粘液聚糖末端的唾液酰化是至关重要的。采集ST6突变的患者样本进行唾液酸化修饰组学和生化分析,结果表明唾液酸化减少会导致黏液蛋白缺陷和先天炎症性肠病(IBD),小鼠实验发现携带ST6突变会导致粘液屏障受损、生态失调、易患肠道炎症。以上结果证明了唾液酸化在肠道屏障中的重要意义以及唾液酸糖基转移酶的关键作用。


Cell(IF=64.5)| 粘液唾液酸化决定肠道宿主共生稳态
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文章名称: Mucus sialylation determines intestinal host-commensal homeostasis

期刊:Cell

发表时间:2022年3月

影响因子:64.5

研究材料:细胞

组学技术:唾液酸化修饰组学





01|研究思路




Cell(IF=64.5)| 粘液唾液酸化决定肠道宿主共生稳态

图1 研究思路

(图源:Yao Y, et al., Cell, 2022)





02|研究结果




1. ST6唾液酸糖基转移酶在杯状细胞中高表达

研究者们首先利用健康捐献者的样本,做Q-PCR、WB以及共聚焦,发现ST6 mRNA和蛋白选择性地在结肠和胃肠道组织中表达,但在血液、免疫细胞或其他器官中不表达(图2A-2C)。通过单细胞RNA测序数据显示ST6在杯状细胞中高表达 (图2D),而免疫细胞或基质细胞几乎不表达ST6。

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图2 ST6在结肠GCs中的表达情况

(图源:Yao Y, et al., Cell, 2022)

2. 唾液酸化修饰组学分析

根据已发表文献发现杯状细胞是通过分泌O和N链糖基化的粘蛋白来产生肠道粘液,并且ST6可以修饰O-糖基化,但是N-糖基化修饰尚无报道。作者首先利用体外荧光唾液酸化信号检测发现用酶去除O-或N-聚糖会降低唾液酸信号,说明二者都促进ST6介导的唾液酸化修饰。随后利用糖蛋白组学数据进行分析,结果显示ST6影响的糖蛋白突出了粘蛋白MUC2,这是GCs和肠粘液中最丰富的粘蛋白。MUC2糖型的蛋白组学分析显示,ST6表达水平和MUC2 N聚糖的唾液酸化成正相关(图3D)。根据MUC2的糖型数据可以看到SA修饰发生在许多 MUC2 N-聚糖糖基化位点上(图3F和3G),表明ST6 是 MUC2 唾液酸化的关键。

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图3 糖蛋白组学分析

(图源:Yao Y, et al., Cell, 2022)


3. 突变影响ST6唾液酸化和S-Tn表达

先前的研究证明了MUC2具有唾液酸化修饰,并且ST6介导的唾液酸化能够保护MUC2不受肠道菌群蛋白水解,从而维持肠黏液完整性。除此之外,进一步实验发现IBD患者具有ST6突变,那么ST6突变后对于ST6蛋白功能会有什么影响呢?为探究ST6突变后的改变,作者构建ST6变体-EGFR融合蛋白的结肠癌细胞,电泳迁移实验发现R391Q 突变的ST6蛋白迁移更快,提示翻译后修饰消失。去糖基化处理使野生型ST6条带迁移,同时让S-Tn 带消失,表明野生型ST6可以维持唾液酸化修饰,而ST6 R391Q突变明显降低唾液酸化修饰。这些结果说明S-Tn是正常肠道杯状细胞的生理修饰,某些患者ST6蛋白突变体会使其是去催化活性(图4)。

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图4 ST6突变导致酶活性丧失

(图源:Yao Y, et al., Cell, 2022)


4. ST6突变容易导致肠道炎症

为研究体内ST6如何发挥作用,研究者构建了ST6突变的小鼠模型,发现N-糖型总强度中蛋白质唾液酸化降低。共聚焦显微镜观察发现ST6突变小鼠肠粘膜内侧变薄,菌群定量检测发现ST6突变小鼠肠道内菌群变多,且患有严重肠道炎症疾病。所以得出结论,ST6 对于防止细菌入侵和炎症的粘液屏障至关重要。后续作者进一步验证了ST6通过肠道菌群影响肠道干细胞稳态(图5)。

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图5 ST突变小鼠更容易患DSS诱导的结肠炎

(图源:Yao Y, et al., Cell, 2022)






03|拜谱小结




本研究将糖基转移酶ST6作为切入点,通过单细胞测序技术、糖蛋白组学技术以及生化分析等方法,对肠粘膜屏障的唾液酸化进行一系列探究,结果表明唾液酸转移酶ST6和粘蛋白MUC2在杯状细胞种高表达,且ST6通过将游离唾液酸修饰到粘蛋白MUC2的N糖以及O糖末端增强了粘膜层主要成分粘蛋白MUC2的稳定与粘膜层的稳态,进而维持了以粘蛋白上糖链为营养来源的肠道菌群的稳态,最终达到了缓解肠炎的效应。

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参考文献:Yao Y, Kim G, Shafer S, et al. Mucus sialylation determines intestinal host-commensal homeostasis. Cell. 2022;185(7):1172-1188.e28. doi: 10.1016/j.cell.2022.02.


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